ПЬЕЗОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2006 года по МПК H03B5/32 

Предлагаемое изобретение относится к области электронной техники, а именно к генераторам электрических импульсов, работающим на основе пьезокристаллических резонаторов.

Пьезокристаллические генераторы на основе кварцевых резонаторов играют особую роль в устройствах связи. Они являются времязадающими элементами в электронных таймерах.

Повышенной долговременной стабильности частоты выходного сигнала генератора добиваются использованием вакуумированных резонаторов толщинно-сдвиговых колебаний. Чтобы частота генератора мало зависела от окружающей температуры, кварцевые резонаторы изготавливают из кристаллических элементов термостабильных срезов, например, AT или SC. Дополнительное повышение температурной стабильности достигается использованием так называемой температурной компенсации, когда температурные уходы частоты компенсируются соответствующим управлением частотой с помощью реактивного элемента (например, варикапа) по закону, задаваемому с помощью датчика температуры и соответствующего алгоритма/ Shuji Shibuya; Hisato Takeuchi; Junichi Matsuura; Yuichi Tateyama; Takaharu Saeki. "Function generator, crystal oscillation device. and method of adjusting crystal oscilation device", Pat USA 6292066, Sept. 18, 2001./

В качестве датчика температуры при этом используются, например, термометры сопротивления или полупроводниковые датчики. Более высокой стабильности удается достигнуть, если использовать в качестве датчика температуры кварцевый резонатор с повышенной температурной чувствительностью или одну из побочных мод колебаний, существующих в некоторых типах резонаторов (например, SC-среза) /Schodowski, "Resonator Self-Temperature-Sensing Using a Dual-Harmonic-Mode Crystal Oscilator", 43 Annual Symposium on Frequency Control, pp.2-7, 1989/.

Однако использование побочных мод колебаний сопряжено с проблемой разделения частот термочувствительной и термостабильной мод колебаний, приводящей к чрезмерному усложнению электронной схемы и увеличению потребляемой мощности.

Прототипом предлагаемого изобретения является генератор, в котором в качестве термочувствительного резонатора используется резонатор, конструктивно идентичный термостабильному, но работающий на третьей гармонике /Hitoaki Hayashi. "Crystal Oscillator with Quartz vibrator having temperature detecting faculty, quartz vibrator for therein, and method of measu ring temperature using quartz vibrator", Pat USA 5200714, Apr. 6, 1993/.

Гармониковый резонатор и опорный, основной резонатор - оба высокочастотные толщинно-сдвиговые резонаторы АТ-среза - включены каждый в свой генератор. Частота генератора гармоникового резонатора делится на три и вычитается из частоты генератора термостабильного резонатора. Полученная таким образом разностная частота существенно зависит от температуры и используется в качестве сигнала, пропорционального температуре. Гармониковый - термочувствительный - резонатор реализован на том же пьезоэлементе, что и опорный, термостабильный, благодаря чему достигается минимальная динамическая ошибка, возникающая при изменении окружающей температуры. Однако прототип имеет следующий недостаток. Генераторы, работающие на высокочастотных резонаторах толщинно-сдвиговых колебаний, имеют довольно высокое потребление электрической мощности, что связано с высокой частотой и низким динамическим сопротивлением резонатора. В прототипе таких генераторов по существу два. Это обстоятельство, а также наличие схемы деления и выделения разности частот увеличивает потребление электрической мощности в несколько раз и усложняет использование такого генератора в автономных системах с ограниченным питанием. Кроме того, присутствие рядом с опорным пьезозлементом термочувствительного несколько снижает долговременную стабильность опорного резонатора из-за дестабилизирующего влияния массопереноса микрочастиц с термочувствительного пьезоэлемента на опорный и обратно.

Задача данного изобретения состоит в снижении потребляемой электрической мощности генератора и повышении его долговременной стабильности.

Поставленная задача достигается тем, что в пьезокристаллическом генераторе, содержащем герметичный корпус, опорный генератор с опорным резонатором, генератор-термодатчик с термочувствительным резонатором, пьезоэлементы резонаторов помещены каждый в свой корпус, корпус термочувствительного резонатора имеет меньшие габаритные размеры, чем корпус опорного резонатора, и находится с корпусом опорного резонатора в тепловом контакте, а в качестве термочувствительного резонатора используется резонатор колебаний изгибных по длине стержня, или крутильных вокруг длины стержня, или расширения-сжатия по длине стержня, или сдвига по контуру пластины.

Поясним, как связаны между собой и с поставленной задачей различные конструктивные факторы заявляемого устройства

Bo-первых, генератор-термодатчик реализуется не, как в прототипе, на основе 2-х высокочастотных генераторов, схеме деления частоты и выделения разностной частоты, а на одном низкочастотном генераторе, реализованном на отдельном низкочастотном резонаторе.

Во-вторых, пьезоэлемент термочувствительного резонатора вынесен за пределы корпуса опорного резонатора и помещен в собственный герметичный корпус для того, чтобы его присутствие вблизи пьезоэлемента опорного резонатора не ухудшало стабильность последнего

Это позволяет снизить потребление электрической мощности заявляемого устройства п повысить долговременную стабильность опорного генератора, но вызывает появление проблемы температурных градиентов в конструкции и, как следствие, приводит к снижению точности измерения температуры опорного резонатора: термочувствительный резонатор, будучи реализован на другом нежели опорный резонатор пьезоэлементе, разнесен с ним в пространстве и имеет в условиях динамических температурных процессов другую температуру.

Проблема повышения идентичности температур корпусов обоих резонаторов теоретически может быть решена:

- выполнением обоих корпусов идентичными или

- выполнением одного из корпусов во много раз меньшим, чем другой, с приведением их в максимальный тепловой контакт друг с другом.

Первый вариант не дает практического результата из-за того, что в условиях произвольного расположения температурного фронта один из корпусов будет в большинстве случаев прогреваться быстрее другого.

Второй вариант имеет практическое решение только, если корпус термодатчика во много раз меньше корпуса опорного резонатора: корпуса опорных резонаторов весьма велики.

В микроминиатюрные корпуса в силу их конструктивных особенностей устанавливаются следующие пьезоэлементы, имеющие низкую резонансную частоту: стержни (одиночные, сдвоенные или строенные в микрокамертоны), совершающие колебания изгиба по длине, или крутильные по длине, или расширения-сжатия по длине, и пластины, совершающие колебания сдвига по контуру. Установление пьезоэлементов толщинных колебаний стержней или пластин возможно лишь при существенном увеличении их частоты, что приводит к увеличению потребляемой мощности.

Изобретение иллюстрируется изображением предлагаемой конструкции, представленной на чертеже.

В общем корпусе 1 генератора смонтирован опорный пьезорезонатор 2 в корпусе 3, термочувствительный пьезорезонатор 4 в корпусе 5. Опорный пьезорезонатор 2 подключен к схеме опорного генератора 6, термочувствительный пьезорезонатор 4 подключен к схеме генератора термодатчика 7. Корпус 5 во много раз меньше корпуса 3 и смонтирован на корпусе 3 при помощи теплопроводящей пасты 8. В той части, которая не контактирует с корпусом 3, корпус 5 покрыт теплоизолирующим компаундом 9. Подключение генераторов к схеме цифровой обработки 10 осуществляется при помощи контактов 11 (выходной сигнал F опорного генератора) и 12 (выходной сигнал f генератора-термодатчика). С выхода схемы 10 поступает сигнал F_стаб, скорректированный по значениям выходного сигнала генератора термодатчика 7. Питание на генератор подается через контакты 13 и 14, а на схему 10 через контакты 15 и 16. Термочувствительный пьезорезонатор 4 выполнен на основе микрокамертонного пьезоэлемента, на поверхностях которого нанесена система электродов, позволяющая возбуждать изгибные по длине колебания стержневых ножек камертона. Топология системы электродов на чертеже не показана, так как она является известной и многовариантной.

Структура внешнего устройства обработки сигналов с опорного генератора и генератора-термодатчика для осуществления термокомпенсации частоты опорного генератора известна и не является предметом настоящей заявки.

Благодаря тому что корпус микрокамертонного термочувствительного резонатора имеет габариты ⊘2×5мм, что на порядок меньше габаритов корпуса опорного резонатора (⊘20×7 мм), корпуса резонаторов находятся в тепловом контакте, а поверхность корпуса 5, свободная от теплового контакта, покрыта теплоизоляцией 9, резонаторы 2 и 4 имеют практически одинаковую температуру даже при быстропротекающих тепловых процессах. В результате этого поправки, определяемые по значениям частоты генератора-термодатчика, оказываются достаточно точными и увеличение динамической погрешности термокомпенсации из-за разнесенности пьезорезонаторов в пространство незначительно.

Генератор работает следующим образом. При подключении к внешним устройствам посредством контактов 11, 12. 13 и 14 в генераторах 6 и 7 непрерывно генерируются сигналы частотой F (генератор 6) и f (генератор 7). Сигналы F и f поступают на схему цифровой обработки 10, в которой производится измерение частот и вычисление по калибровочной характеристике F(t) поправки к значению частоты F и самого уточненного значения F_стаб. Далее в схеме цифровой обработки 10 производится синтезирование и выдача на выход сигнала с уточненным значением частоты F_стаб.

Калибровочная характеристика F(f) измеряется на стадии изготовления генератора. Для этого он помещается в термостат и подключается посредством контактов 11, 12, 13 и 14 к внешним устройствам: источнику питания и частотомерам, измеряющим частоту выходных сигналов опорного генератора 6 и генератора-датчика 7. В термостате задают изменение температуры в пределах рабочего диапазона и записывают одновременно значения частот генераторов 6 и 7. Полученная таким образом зависимость частоты F генератора 6 от частоты f генератора-термодатчика 7 записывается в память схемы цифровой обработки 10.

Положительный эффект достигается благодаря тому, что предложенное техническое решение позволяет в несколько раз повысить долговременную стабильности опорного генератора и без снижения точности термокомпенсации получить многократное снижение потребляемой мощности.

Генератор на микрокамертонном резонаторе потребляет всего 20-30 мкА. В то же время высокочастотный генератор на пьезорезонаторах толщинно-сдвиговых колебаниях (как в прототипе) потребляет в сотни раз больше.

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в электронных таймерах. Достигаемый технический результат - снижение потребляемой электрической мощности. Пьезокристаллический генератор содержит герметичный корпус, опорный генератор с опорным резонатором, генератор-термодатчик с термочувствительным резонатором, при этом пьезоэлементы резонаторов помещены каждый в свой корпус, корпус термочувствительного резонатора имеет меньшие размеры, чем корпус опорного резонатора, и находится с корпусом опорного резонатора в тепловом контакте, а в качестве термочувствительного резонатора используется резонатор колебаний изгибных по длине стержня, или крутильных вокруг длины стержня, или расширения - сжатия по длине стержня, или сдвига по контуру пластины. 1 ил.

Пьезокристаллический генератор, содержащий герметичный корпус, опорный генератор с опорным резонатором, генератор-термодатчик с термочувствительным резонатором, отличающийся тем, что пьезоэлементы резонаторов помещены каждый в свой корпус, корпус термочувствительного резонатора имеет меньшие габаритные размеры, чем корпус опорного резонатора, и находится с корпусом опорного резонатора в тепловом контакте, а в качестве термочувствительного резонатора используется резонатор колебаний изгибных по длине стержня, или крутильных вокруг длины стержня, или расширения-сжатия по длине стержня, или сдвига по контуру пластины.